TWM469312U - 一種同時具吸附污染物與釋氧功能之環保化單元組成之結構 - Google Patents

Description

一種同時具吸附污染物與釋氧功能之環保化單元組成之結構

本創作係關於一種碳化吸附材料單元、釋氧物質單元，以及酸鹼緩衝物質單元，將三單元各優點整合成具吸附污染物與釋氧功能之環保化單元組成之結構，並稱之為吸附釋氧型顆粒，特別係指一種具吸附性功能與一種與水接觸後釋出氧氣，以及使用過程中能控制水體中酸鹼值變化之顆粒。該吸附釋氧型顆粒可用於一受污染之土壤、地下水、地面水、廢水，或需進行好氧之生物處理程序，藉由顆粒具吸附有機污染物與釋出氧氣特性，提升對現地污染場址中污染物之去除效率。

生物復育技術(bioremediation technology)係屬於自然界反應過程，能經由微生物代謝或轉移過程中將污染物毒性降低或轉為無毒性型態，達到污染物整治效果。常使用方式係藉由提供微生物一適宜生長環境，如氧氣或營養鹽等，加速微生物對污染物處理效果。一般而言，微生物分解機制係以好氧氧化作用(aerobic oxidation)較厭氧(anaerobic)復育效果為佳，且好氧氧化作用能將污染物轉化以達完全礦化階段而形成二氧化碳與水，故氧氣為供給微生物生長之重要因子。

依目前中華民國專利公報之搜尋，已成功開發出各種利用釋氧方式來處理受污染水體之技術，其公報說明如2013年1月1日公告之中華民國專利公報號[M444377]中，揭露一種可同時包埋微生物與釋氧物質之環保化釋氧單元組成及其結構，其特色在於包覆菌體材料係選用生物可分解性材料，如聚乙烯醇方式，將其菌體包覆於聚乙烯醇製成之膠體溶液中，同時再將含有菌體之膠體溶液與填充於膠囊內釋氧物質，採共同冷凍解凍方式包覆後製成釋氧顆粒，藉以應用於受污染之地下水、地面水或廢水中，而可提供具分解污染源之微生物來源，及供給現地微生物所需溶氧，再次提升對污染物去除效率。就專利公報號[M323474]於2007年12月11日公告中，揭露一種釋氧單元之組成及利用該釋氧單元之釋氧裝置，其特色係以水泥方式固化釋氧物質，透過現地水流反應而供給現地溶氧來源，以及具備緩衝酸鹼值功能而可減緩釋氧過程中鹼度過高問題。另在依照專利公報號[583145]於2004年4月11日公告中，揭露一種具有持續釋放氧氣功能之人造釋氧合成物，其特色係以過氧化鈣、砂、泥煤、水泥及水所組成，能維持長達五個月之釋氧時間。綜合上述釋氧組合中揭露包覆釋氧物質材料中，選用水泥作為固化釋氧物質材料時，當釋氧物質釋出氧氣結束時，則殘餘在環境之固體物需再進行移除工程，故於實際應用上受到限制，或者選用生物性可分解材料(例如：聚乙烯醇)時，則因聚乙烯醇使用量過高而導致現地微生物無法於短期間內分解殆盡，故亦受限使用範圍。

依目前中華民國專利公報搜尋中，已成功開發出各種利用吸附方式來處理受污染之水體，其公報說明如2008年6月16日公告之中華民國專利 公報號[200825025]中揭露一種將稻榖灰化後用於處理水中重金屬之方法，其特色係將稻殼於400-700℃下伴隨空氣進行灰化後，再移入充滿惰性氣體容器中，冷卻至室溫；最後將稻殼灰與廢水接觸來吸附廢水中含有之重金屬，能有效將廢棄稻殼資源化，使其能應用於廢水中之重金屬去除。另於2011年6月21日公告之中華民國專利公報號[I343832]中揭露一種有機物質吸附劑及其製造方法，其特色係以檳榔桿為原料，利用化學活化劑(例如：KOH、H₃PO₄及FeCl₃)活化後，經高溫碳化形成具有高比表面積之活性碳，其表面具有含氧官能基與含碳官能基能吸附有機物質。另於2006年12月1日公告之中華民國專利公報號[I267400]中揭露一種含粉狀活性碳之光觸媒(TiO₂)及其製作方法，其特色在於活性碳與光觸媒經特定比例混合後，藉由活性碳之吸附能力，增加環境中污染物或待處理物之傳輸速度，藉以提升光觸媒分解破壞之效果與使用價值。

有鑑於地下水中常見之空氣注入法(air sparging)，係以機械力方式將空氣或氧氣直接注入於含水層中，因此需要較高之機械設備成本與操作時間。雖有文獻以水泥固化釋氧顆粒來提升含水層中溶氧，但釋氧顆粒內氧氣經反應完畢後，剩餘水泥廢棄物無法提供二次使用，造成需挖除水泥廢棄物而提升工程成本；同時若受污染含水層區域中，污染物易因水體波動而使其擴散與散布各處，故將增加工程處理時間與機械操作成本，才能完全將受污染水體處理乾淨。有鑑於此，本創作採用一種具吸附污染物功能之碳化吸附材料、具長期緩釋氧效果之釋氧 物質、可緩衝酸鹼值之緩衝物質，以及以一種可生物性分解材料作為膠結材料，共同組成一種具備吸附與緩釋氧雙功能之吸附緩釋氧顆粒。

本創作之目的係提供一吸附單元、一釋氧單元之組成及其結構，使其同時具備吸附能力與釋氧效果之獨立元件，以提供於適當裝置內進行相關操作。

根據本創作所揭露之目的，該吸附與釋氧單元內包括：一碳化吸附材料、一釋氧物質、一酸鹼緩衝物質、一膠結材料、一孔隙及一流水所共同組合而成。本創作製作程序係將一碳化吸附材料、一釋氧物質、一酸鹼緩衝物質混合後，再以一膠結材料形成混和物後，依照現地或系統需求，選擇適合之模型製成各型式構造，如圓球體、立方體、圓柱體等，製成一吸附釋氧型顆粒。

該吸附釋氧型顆粒製成後，因元件內部具有眾多孔隙構造，能供流水或水分子通過，可促使顆粒內部之釋氧物質與水反應釋出氧氣，以及可吸附水分子內之污染物質。以下即根據本創作所揭露之目的、功效及其結構組織，列舉最佳實施例，以及配合圖示方式加以詳細說明各細節。

1‧‧‧吸附釋氧型顆粒

11‧‧‧碳化吸附材料

12‧‧‧釋氧物質

13‧‧‧酸鹼緩衝物質(無機鹽類)

14‧‧‧膠結材料

15‧‧‧孔隙

16‧‧‧流水

第一圖係本創作之吸附釋氧型顆粒之結構示意圖。

第二圖係本創作之吸附釋氧型顆粒之細部元件結構示意圖。

有關於本創作之結構組成、技術方法及功效達成方面，僅配合圖式再予舉例進一步具體說明於後：請參閱第一圖，本創作所揭露之吸附釋 氧型顆粒1之示意圖為一球型體，或可依照實際需求，採取模具方式自訂顆粒外型，如立方體、圓柱體或其他不規則外型。

請參閱第一圖與第二圖，該吸附釋氧型顆粒1之組成，係包括碳化吸附材料11、釋氧物質12、酸鹼緩衝物質13、膠結材料14、孔隙15及流水16所共同組成。

其中該碳化吸附材料11係選用一具多孔隙材料，可吸附土壤、地下水、地面水或廢水中之有機污染物之生物碳作為碳化吸附材料11；本範例係以生物碳(竹碳)於地下水中吸附有機污染物為例。

該釋氧物質12為一過氧化物，如過氧化鈣(CaO₂)或過氧化鎂(MgO₂)，可與水反應產生氧氣，例如：CaO₂+₂H₂O→Ca(OH)₂+O₂[式1]，式中過氧化鈣可再與水反應後解離出氫氧根離子(OH^-)，例如：Ca(OH)₂→Ca²⁺+2OH^-[式2]。

該酸鹼緩衝物質13可為一酸性無機鹽類，本範例係採用一檸檬酸作為酸鹼緩衝物質13，藉由釋出之氫離子(H⁺)中和釋氧物質12所釋出之氫氧根離子(OH^-)，藉以調整系統中之酸鹼值達到中性範圍。

該膠結材料14，可單一使用聚乙烯醇(polyvinyl alcohol,PVA)材料，或再與褐藻酸鈉(alginate acid sodium salt)、其他海藻酸鹽類共同混合後之複合材料使用。

其中膠結材料14具有膠結功能，能將碳化吸附材料11、釋氧物質12及酸鹼緩衝物質13，與其膠結材料14共同包覆製成具有吸附釋氧型顆粒1。

本創作製作流程區分為三部分執行，第一部份係製備碳化吸附材料11，例如生物碳，其製作方法係將生物質置於低氧或無氧環境中，以高溫熱裂解碳化程序而形成生物碳，其中該碳化溫度介於200℃至1200℃，而本創作則以碳化溫度為350℃作為本案例說明。

第二部分係將膠結材料14，例如聚乙烯醇(PVA)，可以重量比介於5%至20%配比方式，將粒狀PVA材料放置於100毫升之去離子水(deionized water)中後，再採高溫高壓滅菌方式加熱至121℃、20分鐘後，使粒狀PVA材料與去離子水相互溶解後形成膠結溶液，待靜置至室溫後即可備用，而本創作則係以配製成9%之PVA膠結溶液作為本案例說明。

第三部分係將碳化吸附材料11、釋氧物質12及酸鹼緩衝物質13，三者預先均勻混合後，再倒入由膠結材料14製成之PVA膠結溶液中充分地攪拌均勻後，將其混合物倒入模型中而可製成吸附釋氧型顆粒1。

該吸附釋氧型顆粒1中，因碳化吸附材料11具有眾多孔隙，能與膠結物質12於膠結過程中形成孔隙15，使得流水16或水分子藉由孔隙而進入顆粒內部，再與其內部之釋氧物質12反應後釋出氧氣，而流水16中之污染物質則可被碳化吸附材料11所吸附。

其中，製成最佳吸附釋氧型顆粒程序係先由膠結材料14中，已預先配製成9%之PVA膠結溶液中取出50毫升後，將其碳化吸附材料11秤取27克、釋氧物質12秤取15克，以及酸鹼緩衝物質13秤取8克後，共同與9%之PVA膠結溶液充分混合後而製成吸附釋氧型顆粒1。

其中，製成具有長效吸附與氧氣釋放率之吸附釋氧型顆粒1配比，分別為每顆吸附釋氧型顆粒，由碳化吸附材料11：釋氧物質12：酸鹼緩 衝物質13：膠結材料14比例為27%：15%：8%：50%(重量比)所製成。

上述實施案例僅為範例性說明本創作之技術及其功效，而非用於限制本創作；任何熟於此項技術之人士均可在不違背本創作之技術原理及精神之情況下，對上述實施例進行修改與變化，因此本創作之權利保護範圍應如後所述之申請專利範圍所列。

1‧‧‧吸附釋氧型顆粒

11‧‧‧碳化吸附材料

12‧‧‧釋氧物質

13‧‧‧酸鹼緩衝物質(無機鹽類)

14‧‧‧膠結材料

15‧‧‧孔隙

16‧‧‧流水

Claims (15)

1. 一種同時具吸附污染物與釋氧功能之環保化單元組成之結構，包括一膠結材料膠結一碳化吸附材料、一釋氧物質及一酸鹼緩衝物質，經膠結後，再透過常溫風乾方式而形成一固化型態之環保化單元組成之結構外型，且具有複數孔隙，該孔隙可供流水通過，並可與一釋氧物質反應而產生氧氣，即得一種同時具吸附污染物與釋氧功能之環保化單元組成之結構；其中一碳化吸附材料用以吸附有機污染物；一釋氧物質用以與水反應後釋出氧氣而可供給微生物使用；一酸鹼緩衝物質用以平衡釋氧物質所釋出鹼性物質。
2. 如申請專利範圍第1項所述之一種同時具吸附污染物與釋氧功能之環保化單元組成之結構，其中一固化型態之環保化單元組成之結構外型，可依照現地或系統需求，選擇適合模型製成各型式構造，如圓球體、立方體、圓柱體等，製成一環保化單元組成之結構。
3. 如申請專利範圍第1項所述之一種同時具吸附污染物與釋氧功能之環保化單元組成之結構，其中一碳化吸附材料係指多孔性碳化材料，包括活性碳、生物碳、導電碳黑或其他碳化材料等具備可吸附土壤、地下水、地面水或其他廢水中有機污染物之材料均可替代使用。
4. 如申請專利範圍第3項所述之一種同時具吸附污染物與釋氧功能之環 保化單元組成之結構，其中一碳化吸附材料選用生物碳時，其碳化過程需控制於低氧或無氧環境下以高溫熱裂解方式進行，其碳化溫度則需介於200℃至1200℃；若採用活性碳、導電碳黑及其他碳化材料時則依照商用規格說明使用。
5. 如申請專利範圍第4項所述之一種同時具吸附污染物與釋氧功能之環保化單元組成之結構，其中一碳化吸附材料選用生物碳時，其生物碳來源可為廢棄生物質材料，包括竹、稻稈、稻殼、玉米芯稈、花生殼及其他農業廢棄物等。
6. 如申請專利範圍第1項所述之一種同時具吸附污染物與釋氧功能之環保化單元組成之結構，其中一釋氧物質係指過氧化物，包括過氧化鈣(CaO₂)、過氧化鎂(MgO₂)，以提供氧氣之主要來源。
7. 如申請專利範圍第1項所述之一種同時具吸附污染物與釋氧功能之環保化單元組成之結構，其中一酸鹼緩衝物質係使用酸性無機鹽類，例如檸檬酸(C₆H₈O₇)、磷酸二氫鉀(KH₂PO₄)等。
8. 如申請專利範圍第1項所述之一種同時具吸附污染物與釋氧功能之環保化單元組成之結構，其中一膠結材料係指生物可分解性之綠色材料，具可膠黏與固化一吸附材料、一釋氧物質及一酸鹼緩衝物質，經共同膠結後製成固化型態之環保化單元組成之結構，稱之一吸附釋氧型顆粒。
9. 如申請專利範圍第8項所述之一種同時具吸附污染物與釋氧功能之環保化單元組成之結構，其中一膠結材料係指由單一聚乙烯醇(polyvinyl alcohol,PVA)材料，或再與其褐藻酸鈉(alginate acid sodium salt)、其他海藻酸鹽類共同混合後之複合材料使用。
10. 如申請專利範圍第9項所述之一種同時具吸附污染物與釋氧功能之環保化單元組成之結構，其中一膠結材料係採用高溫高壓滅菌方法，將一膠結材料加熱至121℃、20分鐘後，使一膠結材料能完全溶解於去膠結程度而選定配比。
11. 如申請專利範圍第9項所述之一種同時具吸附污染物與釋氧功能之環保化單元組成之結構，其中一膠結材料選用聚乙烯醇與褐藻酸鈉或其他海藻酸鹽類共同混合後之複合材料使用時，其聚乙烯醇與褐藻酸鈉，或其他海藻酸鹽類間配比介於8-20%：0.1-0.25%(重量比)，以15%：0.15%(重量比)為最佳比例，並可依照所需膠結程度而選定配比。
12. 如申請專利範圍第9項所述之一種同時具吸附污染物與釋氧功能之環保化單元組成之結構，其中一膠結材料選用單一聚乙烯醇時，其濃度範圍介於5%至20%(重量比)，且以9%為最佳比例，並可依照所需膠結程度而選定配比。
13. 如申請專利範圍第1項所述之一種同時具吸附污染物與釋氧功能之環保化單元組成之結構，其中一碳化吸附材料與一釋氧物質、一酸鹼緩衝物質，可再依照現地微生物需氧量與現地污染場址中酸鹼特性來調整彼此間比例，使吸附釋氧型顆粒具備最適化之釋氧量與酸鹼緩衝功能。
14. 如申請專利範圍第13項所述之一種同時具吸附污染物與釋氧功能之環保化單元組成之結構，其中一碳化吸附材料與一釋氧物質、一酸鹼緩衝物質，可再依照現地微生物需氧量與現地污染場址中酸鹼特 性來調整彼此間比例，其中一釋氧物質配比範圍介於2.5-70%(重量比)間，而一酸鹼緩衝物質配比則介於0-35%(重量比)間，兩者間最佳配比分別為一釋氧物質10%(重量比)與一酸鹼緩衝物質5%時，達最佳中性範圍(pH 7.0)與最大釋氧量。
15. 如申請專利範圍第1項所述之一種同時具吸附污染物與釋氧功能之環保化單元組成之結構，其中一碳化吸附材料、一釋氧物質、一酸鹼緩衝物質及一膠結材料中，四者間之最佳比例分別為27%：15%：8%：50%(重量比)，並可依照不同釋出氧氣量、吸附有機污染物量及酸鹼度來調整彼此間比例。